量子阱半導(dǎo)體激光器的的基本原理及其應(yīng)用

./量子阱半導(dǎo)體激光器的的基本原理及其應(yīng)用無(wú)研01王增美〔025310摘要：本文主要闡述了量子阱及應(yīng)變量子阱材料的能帶結(jié)構(gòu),以及能態(tài)密度和載流子有效質(zhì)量的變化對(duì)激光器閾值電流等參數(shù)的影響,簡(jiǎn)要說(shuō)明了量子阱激光器中對(duì)光場(chǎng)的波導(dǎo)限制。最后對(duì)量子阱半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用作了簡(jiǎn)要的介紹,其中重點(diǎn)是GaN藍(lán)綠光激光器的發(fā)展和應(yīng)用。引言半導(dǎo)體激光器自從1962年誕生以來(lái),就以其優(yōu)越的性能得到了極為廣泛的應(yīng)用,隨著新材料新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)和制造工藝水平的不斷提高,其各方面的性能也不斷得到改善,應(yīng)用圍也不在再局限于信息傳輸和信息存儲(chǔ),而是逐漸滲透到材料加工、精密測(cè)量、軍事、醫(yī)學(xué)和生物等領(lǐng)域,正在迅速占領(lǐng)過(guò)去由氣體和固體激光器所占據(jù)的市場(chǎng)。20世紀(jì)70年代的雙異質(zhì)結(jié)激光器、80年代的量子阱激光器和90年代出現(xiàn)的應(yīng)變量子阱激光器是半導(dǎo)體激光器發(fā)展過(guò)程中的三個(gè)里程碑。制作量子阱結(jié)構(gòu)需要用超薄層的薄膜生長(zhǎng)技術(shù),如分子外延術(shù)〔MBE、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積〔MOCVD、化學(xué)束外延〔CBE和原子束外延等。我國(guó)早在1974年就開(kāi)始設(shè)計(jì)和制造分子束外延〔MBE設(shè)備,而直到1986年才成功的制造出多量子阱激光器,在1992年中科院半導(dǎo)體所〔ISCAS使用國(guó)產(chǎn)的MBE設(shè)備制成的GRIN-SCHInGaAs/GaAs應(yīng)變多量子阱激光器室溫下閾值電流為1.55mA,連續(xù)輸出功率大于30mW,輸出波長(zhǎng)為1026nm[4]。量子阱特別是應(yīng)變量子阱材料的引入減少了載流子的一個(gè)自由度,改變了K空間的能帶結(jié)構(gòu),極大的提高了半導(dǎo)體激光器的性能,使垂直腔表面發(fā)射激光器成為現(xiàn)實(shí),使近幾年取得突破的GaN藍(lán)綠光激光器成為新的研究熱點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn),并將使半導(dǎo)體激光器成為光子集成〔PIC和光電子集成〔OEIC的核心器件。減少載流子一個(gè)自由度的量子阱已經(jīng)使半導(dǎo)體激光器受益匪淺,再減少一個(gè)自由度的所謂量子線〔QL以及在三維都使電子受限的所謂量子點(diǎn)〔QD將會(huì)使半導(dǎo)體激光器的性能發(fā)生更大的改善,這已經(jīng)受到了許多科學(xué)家的關(guān)注,成為半導(dǎo)體材料的前沿課題。量子阱和應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體激光器的基本原理1、半導(dǎo)體超晶格半導(dǎo)體超晶格是指由交替生長(zhǎng)兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu),薄層的厚度與半導(dǎo)體中電子的德布羅意波長(zhǎng)〔約為10nm或電子平均自由程〔約為50nm有相同量級(jí)。這種思想是在1968年Bell實(shí)驗(yàn)室的江崎〔Esaki和朱肇祥首先提出的,并于1970年首次在GaAs半導(dǎo)體上制成了超晶格結(jié)構(gòu)。江崎等人把超晶格分為兩類(lèi)：成分超晶格和摻雜超晶格。理想超晶格的空間結(jié)構(gòu)及兩種材料的能帶分布分別如圖１和圖２：EgEgzEv1Ev2Ec2Ec1圖2圖1圖1量子阱及量子阱材料的能帶結(jié)構(gòu)由于兩種材料的禁帶寬度不同而引起的沿薄層交替生長(zhǎng)方向〔z方向的附加周期勢(shì)分布中的勢(shì)阱稱為量子阱。量子阱中電子與塊狀晶體中電子具有完全不同的性質(zhì),即表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng),量子阱阱壁能起到有效的限制作用,使阱中的載流子失去了垂直于阱壁方向〔z方向的自由度,只在平行于阱壁平面〔xy面有兩個(gè)自由度,故常稱此量子系統(tǒng)為二維電子氣。量子阱中電子的運(yùn)動(dòng)服從薛定諤方程。在xy平面,電子不受附加周期勢(shì)的作用,與體材料中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同,相應(yīng)的能量,其中、分別為電子在x和y方向上的波矢,是電子xy平面上的有效質(zhì)量。在z方向上,電子受到阱壁的限制,能量是量子化的,只能取一些分立的值,既〔nz＝１,2,3,…。所以,電子的總能量Ｅ為：,即由于的作用,相當(dāng)于把能級(jí)展寬為能帶,稱為子能帶。即材料能帶沿方向分裂為許多子能帶〔圖3〔a。而且態(tài)密度呈現(xiàn)階梯狀分布,同一子能帶態(tài)密度為常數(shù),〔圖３〔b。LHLHElectronEHHnz=3nz=2nz=1nz=1nz=2nz=3Eg-qEg-bH1L1H2k//EH3<a><b>圖３<a>量子阱導(dǎo)帶和價(jià)帶中子能帶沿圖３<a>量子阱導(dǎo)帶和價(jià)帶中子能帶沿方向的分布：導(dǎo)帶子能帶仍是拋物線型分布,價(jià)帶中子能帶卻與拋物線型相差很多,這是由于價(jià)帶中輕重空穴帶混合〔mixing所致〔b體材料與量子阱有源材料態(tài)密度對(duì)比圖：量子阱中能帶分裂為子能帶〔n＝1,2,…,Eg-b與Eg-q為分裂前后禁帶寬度,且Eg-b<Eg-q,重空穴帶與輕空穴帶在帶頂處簡(jiǎn)并解除,價(jià)帶和導(dǎo)帶間電子躍遷只能發(fā)生在n相同的子能帶間〔直接躍遷的選擇定則能帶的變化導(dǎo)致以下結(jié)果：<1>帶電子與重空穴和輕空穴復(fù)合分別產(chǎn)生TE模與TM模,重空穴帶與輕空穴帶在帶頂處簡(jiǎn)并解除加劇了TE模與TM模的非對(duì)稱性。<2>不象體材料拋物線能帶中載流子必須從接近帶底處開(kāi)始填充那樣,量子阱的階梯狀能帶允許注入的載流子依子能帶逐級(jí)填充。因此注入載流子能量量子化,提高了注入有源層載流子的利用率,明顯增加了微分增益dg/dN。高微分增益帶來(lái)一系列好處：降低了激光器的閾值電流；減少了載流子部損耗,提高了效率；提高了激光器的調(diào)制帶寬,減少了頻率啁啾。<3>由于Eg-q>Eg-b,量子阱激光器的輸出波長(zhǎng)通常要小于同質(zhì)的體材料激光器。<4>在導(dǎo)帶中子能帶沿的分布仍是拋物線型,而在價(jià)帶中卻遠(yuǎn)非如此,這是由于重空穴帶和輕空穴帶混合〔mixing并相互作用所致,這使得價(jià)帶的能態(tài)密度分布并不象右圖所示的那樣呈現(xiàn)階梯狀,而是使價(jià)帶的能態(tài)密度增大,加劇了價(jià)帶和導(dǎo)帶能態(tài)密度的不對(duì)稱,提高了閾值電流,降低了微分增益,從而使激光器的性能,這種情況要靠后面要提的應(yīng)變量子阱來(lái)改善。3、單量子阱〔SQW和多量子阱〔MQW激光器中對(duì)光子的限制在量子阱激光器中,由于有源層厚度很小,若不采取措施,會(huì)有很大一部分光滲出。對(duì)SQW采取的辦法是采用如圖4所示的分別限制〔separatedconfinementheterojunction結(jié)構(gòu),在阱層兩側(cè)配備低折射率的光限制層〔即波導(dǎo)層。該層的折射率分布可以是突變的〔如圖4〔b左圖所示也可以是漸變的〔如右圖,分別對(duì)應(yīng)波導(dǎo)層帶隙的突變和漸變。EgEg厚度圖4〔aGRINSCH--SQWStep-indexSCH--SQW折射率圖4〔b圖4〔a單量子阱激光器的禁帶寬度分布〔b分別限制單量子阱激光器〔SCH-SQW的折射率分布,左邊是階梯型〔stepindex,右邊是漸變型〔gratedindex〔對(duì)應(yīng)帶隙漸變圖4〔a單量子阱激光器的禁帶寬度分布〔b分別限制單量子阱激光器〔SCH-SQW的折射率分布,左邊是階梯型〔stepindex,右邊是漸變型〔gratedindex〔對(duì)應(yīng)帶隙漸變而對(duì)MQW采取如圖5所示的在最外層勢(shì)壘之后再生長(zhǎng)低折射率的波導(dǎo)層以限制光子折射率折射率厚度Eg阱壘波導(dǎo)圖5多量子阱禁帶寬度及折射率隨厚度分布分布4、應(yīng)變量子阱材料激光器前面提到的量子阱材料的使用大大改善了半導(dǎo)體激光器的性能,與含厚有源層的雙異質(zhì)結(jié)一樣,要求組成異質(zhì)結(jié)的材料之間在晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)是匹配的,否則將會(huì)造成懸掛鍵,對(duì)器件性能造成不利的影響。但是只要將超薄層的厚度控制在某一臨界尺寸以,存在于薄層的應(yīng)變能可通過(guò)彈性形變來(lái)釋放而不產(chǎn)生失配位錯(cuò),相反,薄層之間的晶格常數(shù)失配所造成的應(yīng)力能使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生有利變化,而且,應(yīng)變的引入降低了晶格匹配的要求,可以在較大的圍調(diào)整化合物材料各成分的比例?！?壓應(yīng)變與應(yīng)變?nèi)鐖D6所示,設(shè)結(jié)平面為xy平面,晶體生長(zhǎng)方向?yàn)閦方向,阱層晶格常數(shù)為ao,壘層晶格常數(shù)為as,當(dāng)在壘層上生長(zhǎng)出很薄的阱層材料時(shí),在xy平面,阱層材料的晶格常數(shù)變?yōu)閍//=as,為保持晶胞體積不變,在z方向上,阱層材料晶格常數(shù)變?yōu)?。若a//=as<ao<,則阱層產(chǎn)生壓應(yīng)變〔compressivestrain若a//=as>ao>,則阱層產(chǎn)生應(yīng)變〔tensilestrain總的應(yīng)變可分解為純的軸向分量和靜態(tài)分量。aaoasa////圖6晶格失配引起的應(yīng)變應(yīng)變導(dǎo)致的材料能帶變化a、先不考慮阱中的量子效應(yīng),而只考慮純粹的應(yīng)變的影響〔圖7。EnergyEnergyEgcblhsohh<a>unstrained<b>underbiaxialcompression<c>underbiaxialtension圖7圖7〔a無(wú)應(yīng)變時(shí)能帶分布〔b壓應(yīng)變下能帶變化〔c張應(yīng)變下能帶變化〔a靜態(tài)分量將使價(jià)帶整體上移h1〔meV,而使價(jià)帶整體下移h2〔meV〔對(duì)于應(yīng)力h1<0,h2<0。即壓應(yīng)變的靜態(tài)分量將使阱材料的禁帶變寬,而應(yīng)變的將使其變窄。這會(huì)改變激光器的輸出波長(zhǎng)。〔b更重要的是,應(yīng)變的軸向分量將會(huì)使價(jià)帶產(chǎn)生更大的變化：價(jià)帶在整體移動(dòng)的基礎(chǔ)上,重空穴帶和輕空穴帶分離,分別上移和下移s/2〔meV〔對(duì)應(yīng)力,s<0,對(duì)1%的晶格失配s約為60—80meV。〔c在沿方向上輕重空穴的有效質(zhì)量發(fā)生變化〔對(duì)應(yīng)圖中曲線的曲率半徑的變化,重空穴的變輕而重孔穴變重。在壓應(yīng)變情況下,價(jià)帶中能量最高的能帶沿方向上的有效質(zhì)量比沿方向上的輕,所以我們可在價(jià)帶中最高的能帶上獲得輕的空穴,這可以提高導(dǎo)帶和價(jià)帶的對(duì)稱性,提高激光器的性能。b、應(yīng)變對(duì)量子阱中能帶的影響〔a壓應(yīng)變的影響上面提到,在量子阱中導(dǎo)帶和價(jià)帶分裂為子能帶,在方向上,導(dǎo)帶中子能帶仍是拋物線型,而由于混合效應(yīng),價(jià)帶中子能帶遠(yuǎn)非拋物線型,加劇了導(dǎo)帶和價(jià)帶能態(tài)密度的不對(duì)稱性,降低了激光器的性能。而壓應(yīng)變可以使價(jià)帶中的輕重空穴帶分離。所以在量子阱中引入壓應(yīng)變可以使輕重空穴進(jìn)一步分離,減輕混合效應(yīng),減小價(jià)帶的能態(tài)密度,增加導(dǎo)價(jià)帶能態(tài)密度的對(duì)稱性,提高微分增益,降低閾值電流,提高激光器的性能。如圖8,輕空穴帶被"推入"阱底,在圖中不可見(jiàn)。EnergyEnergyk//HH1HH2HH32圖8壓應(yīng)變對(duì)量子阱中價(jià)帶的影響〔b對(duì)于應(yīng)變,由于它將會(huì)提升輕空穴帶,而使重空穴帶降低,且減小其有效質(zhì)量,所以可以增加TE模與TM模的對(duì)稱性,輸出與偏振模式無(wú)關(guān)的激光或TM偏振模激光。1993年7月日本的H.Tanaka等人用GaAs/AlGaAs應(yīng)變量子阱得到了輸出波長(zhǎng)為780nm〔紅外的TM模CW振蕩激光器[7]。并通過(guò)控制注入電極載流子濃度,用GaAs/AlGaAs多量子阱TM模振蕩激光器實(shí)現(xiàn)偏振模調(diào)制[8]。由于應(yīng)變與量子效應(yīng)分離輕重空穴帶的效果相反,所以最終的能帶分布要取決于應(yīng)變與量子效應(yīng)的"競(jìng)爭(zhēng)"結(jié)果。量子阱激光器的應(yīng)用量子阱材料特別是應(yīng)變量子阱的引入給半導(dǎo)體激光器的發(fā)展注入了新的活力,各波段低閾值大功率的CW半導(dǎo)體激光器相繼研制成功,從而推動(dòng)了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。1、量子阱結(jié)構(gòu)使垂直腔表面發(fā)射激光器〔VCSEL成為可能所謂表面發(fā)射是相對(duì)于一般端面發(fā)射激光器而言,光從垂直于結(jié)平面的表面發(fā)射。而所謂垂直腔是指激光腔方向〔光子振蕩方向垂直于半導(dǎo)體芯片的襯底,即光子振蕩方向與光出射方向一致。有源層厚度即為腔長(zhǎng),由于有源層很薄,要在如此短的腔實(shí)現(xiàn)低閾值振蕩,除了要求有高增益的有源介質(zhì)外,還要求有高的腔面反射率,這只有到80年代用MBE和MOCVD等技術(shù)制成量子阱材料和分布bragg反射器〔DBR后才有可能。在1984年和1988年先后實(shí)現(xiàn)了VCSEL的室溫脈沖和連續(xù)工作,隨著技術(shù)的不斷改善,其性能迅速提高。VCSEL體積小,閾值低,功耗低,便于制成大規(guī)模二維列陣激光器,方便與光纖高效耦合,而且可以輸出窄線寬,發(fā)散角小的單縱模激光?？捎糜诒闷止腆w激光器,光信息并行處理等,它的特點(diǎn)也決定了其在光子集成〔PIC和光電子集成〔OEIC中的重要地位。變量子阱激光器進(jìn)一步推動(dòng)了光纖通信的發(fā)展半導(dǎo)體激光器由于具有體積小,價(jià)格低,可以直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn),已成為光纖通信系統(tǒng)重要組成部分,大容量光纖通信的發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體激光器提出了更高的要求,而量子阱〔特別是應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體激光器具有好的動(dòng)態(tài)特性,低的閾值電流,再引入光柵進(jìn)行分布反饋〔DFB,成為目前高速通信中最為理想的激光源。此外,980nm低閾值大功率AlGaAs/InGaAs[5],InAs/GaAs,InGaAlP/InGaAs,InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱激光器相繼研制成功,可以為EDFA提供泵浦,在這個(gè)波段上,鉺離子表現(xiàn)為理想的三能級(jí)系統(tǒng),可以獲得比1480nm波段泵浦更高的耦合效率。半導(dǎo)體光放大器〔SLA無(wú)論是在光通信還是在光信息處理技術(shù)中都是非常重要的器件,其發(fā)展曾經(jīng)一度受到EDFA的挑戰(zhàn),但應(yīng)變量子阱材料的出現(xiàn)使SLA具有寬且平的增益譜,易集成,低損耗,體積小,價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),使其重新具有了競(jìng)爭(zhēng)力。SLA最重要的應(yīng)用是波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器〔如Fig.1和Fig.2[9],實(shí)現(xiàn)靈活的波長(zhǎng)路由。此外,還希望用其作為光傳輸系統(tǒng)中1310nm窗口的功率放大器,線路放大器和前置放大器以及利用SLA中的非線性來(lái)作啁啾補(bǔ)償和色散補(bǔ)償。3、紅光半導(dǎo)體激光器逐漸取代傳統(tǒng)的氣體激光器1991年報(bào)道了第一個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)為634nm〔紅的InGaP/InGaAlP應(yīng)變量子阱激光器[6],輸出功率超過(guò)600mW,閾值電流密度為1.7kA/cm2。半導(dǎo)體紅光激光器的光束質(zhì)量不斷提高,并以其體積小,價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)向傳統(tǒng)的He-Ne激光器提出挑戰(zhàn),并在光信息存儲(chǔ),條形碼掃描,激光打印和復(fù)印及醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用上逐步取代了He-Ne激光器的部分市場(chǎng)。4、藍(lán)綠光激光器盡管藍(lán)綠光LED早已廣泛應(yīng)用,但相應(yīng)的半導(dǎo)體激光器卻經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)困難的階段才開(kāi)始逼近市場(chǎng),其中研究較多的是藍(lán)綠光的材料體系和包括摻雜在的與之相容的材料生長(zhǎng)工藝。近幾年,藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器取得了幾個(gè)階段性的進(jìn)展。藍(lán)綠激光的發(fā)射需寬帶隙〔3eV左右材料,目前研究較多并取得較大進(jìn)展的材料為III族氮化物〔GaN,AlN,InN。下面的圖[10]是日本日亞〔Nichia化學(xué)工業(yè)公司的Nakamura等人在1997年制作的可連續(xù)工作10000小時(shí)的InGaN多量子阱藍(lán)光激光器：由三層35A厚的Si：In0.15Ga0.85N阱層和70A厚的In0.02Ga0.98N壘層組成多量子阱。激射波長(zhǎng)為405.83nm,20℃時(shí)閾值電流為80mA。最近兩年研制成功的Fabry-perotnitrideLD,仍然使用上面的多量子阱材料〔兩個(gè)阱,但在p-GaN波導(dǎo)層和最外面的壘層之間插入20nm厚的p-Al0.2Ga0.8N阻擋層,并加厚n型包層〔從600m到1200nm以減弱光腔中光向襯底的滲漏。其輸出功率可達(dá)420mW,閾值電流密度為1.7kA/cm2。其各層的成分和結(jié)構(gòu)如下表所示[11]：藍(lán)光激光器的發(fā)展提高了信息存儲(chǔ)的容量,并推動(dòng)海洋探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。對(duì)海水來(lái)說(shuō),藍(lán)綠激光是一個(gè)透明窗口,在軍事上,可以用這個(gè)波段的激光進(jìn)行探測(cè)潛艇位置和潛艇通信、潛艇導(dǎo)航及魚(yú)雷跟蹤,在環(huán)境科學(xué)方面,可以用于海洋污染監(jiān)測(cè),海底行貌成像等。結(jié)束語(yǔ)量子阱特別是應(yīng)變量子阱材料極大的提高了半導(dǎo)體激光器的性能,拓寬了半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用圍,本文在闡述了量子阱激光器的基本原理之后對(duì)其應(yīng)用作了簡(jiǎn)單的介紹,相信今后隨著新技術(shù)新材料的不斷發(fā)展,量子阱激光器及正在研究的量子線和量子點(diǎn)激光器將會(huì)推動(dòng)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展,在社會(huì)和科技的進(jìn)步中起到更加重要的作用。參考文獻(xiàn)：1、《半導(dǎo)體物理學(xué)》〔第四版/恩科等國(guó)防工業(yè)19972、《半導(dǎo)體激光器及其應(yīng)用》/黃德修雪峰編著國(guó)防工業(yè)1999.5QuantumWellLasers/<Editedby>PeterS.Zory,Jr,1993AnOverviewofOpticalDeviceResearchinChina/ZhouBingKunIEEEcommunicationsmagazine/July1993High-Power980nmAlGaAs/InGaAsStrainedQuantumWellLasersGrownedbyOMVPE/Y.K.Chenetc./IEEEphotonicstechnologylettersVol.3,No.5.May1991HighPerformance634nmStrainedInGaP/InGaAlPQuantumWellLasers/C.J.ChangHasnainetc./ELECTRONICSLETTERS15thAugust1991,Vol.27,No.17780nmbandTM